製鉄用容器の耐火物ライニング構造
【課題】 製鉄用容器の耐火物ライニング構造において、施工が容易であって施工工数を抑えることができるとともに、長期間にわたって断熱効果を十分に発揮することのできる耐火物ライニング構造を提供する。
【解決手段】 溶鉱炉から出湯される溶銑を受銑して保持し、保持した溶銑を搬送する或いは保持した溶銑に精錬処理を実施するための製鉄用容器１の耐火物ライニング構造であって、製鉄用容器の外側から、鉄皮２、永久耐火物層３、ワーク耐火物層４をこの順に有し、前記鉄皮と前記永久耐火物層との間に、圧縮強度が製鉄用容器に溶銑を保持したときに生じる静鉄圧値以上の値である断熱材５が配置されている。
【解決手段】 溶鉱炉から出湯される溶銑を受銑して保持し、保持した溶銑を搬送する或いは保持した溶銑に精錬処理を実施するための製鉄用容器１の耐火物ライニング構造であって、製鉄用容器の外側から、鉄皮２、永久耐火物層３、ワーク耐火物層４をこの順に有し、前記鉄皮と前記永久耐火物層との間に、圧縮強度が製鉄用容器に溶銑を保持したときに生じる静鉄圧値以上の値である断熱材５が配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶鉱炉から出湯される溶銑を受銑して保持し、保持した溶銑を搬送する、或いは保持した溶銑に精錬処理を実施するための製鉄用容器の耐火物ライニング構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日の製鉄プロセスにおいては、溶鉱炉で製造されて溶鉱炉から出湯される溶銑は、トピードカーまたは溶銑鍋に代表される容器で受銑され、次工程の製鋼工程へと輸送される。また、製鋼工程の転炉或いは電気炉で溶製された溶鋼は、取鍋などの容器に出湯され、二次精錬工程や連続鋳造工程などの次工程へと輸送される。これらの製鉄用容器は、一般的には、稼働面（溶湯との接触面）側から順に、ワーク耐火物層、永久耐火物層、鉄皮の３層から形成されるライニング構造である。ワーク耐火物層及び永久耐火物層は、ともに成形煉瓦（定形耐火物）または不定形耐火物で構成され、成形煉瓦で構成されるときには、ワーク煉瓦層及び永久煉瓦層とも呼ばれる。尚、本発明においては、溶銑及び溶鋼を受けるための容器をまとめて製鉄用容器と称する。
【０００３】
溶銑或いは溶鋼を次工程へ輸送する場合、その経過時間（以下、「リードタイム」と記す）が長くなると、溶銑或いは溶鋼の熱が耐火物層を伝達し、鉄皮から外気に放出する熱量が増大し、溶銑或いは溶鋼の温度降下量が増大するという問題が発生する。この温度降下量の増大は転炉におけるフェロシリコンなどの熱源の原単位の増大を招くので、鋼製品製造コストの合理化の観点からも重要な開発課題である。また、リードタイムが長くなると、最外殻である鉄皮の温度が上昇し、鉄皮のクリープ変形や亀裂発生を引き起こす恐れがある。そこで、これらの問題を解決する手段の一つとして、製鉄用容器のライニング構造での断熱化に関する技術が幾つか提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、鉄皮に断熱ボード及びワーク煉瓦層をこの順に施工してなる取鍋において、断熱ボードとワーク煉瓦層との間にロー石煉瓦などの断熱煉瓦を設けた断熱ライニング構造が提案されている。そして、特に、断熱煉瓦層の厚みは６０ｍｍ以上、ワーク煉瓦層の厚みは３０ｍｍ以下が望ましいとしている。
【０００５】
しかしながら、溶銑を受銑する溶銑鍋に対して、特許文献１に記載されている技術を適用した場合には、断熱煉瓦の厚みが大きく、溶銑鍋の容積が低下するという問題点がある。また、断熱煉瓦の厚みが大きいことから断熱煉瓦内の温度勾配が大きくなり、断熱煉瓦内に亀裂が発生して耐火物寿命が低下する恐れもある。また更に、ワーク煉瓦層の厚みを３０ｍｍ以下にすると、断熱煉瓦の稼働面側温度が高温になることから、それに応じて熱伝達量が増加し、結果的に断熱性能が低下するという懸念もある。
【０００６】
一方、特許文献２及び特許文献３には、熱伝導率の範囲を規定した断熱材を、永久耐火物層と鉄皮との間に配置し、稼働面側から、ワーク耐火物層、永久耐火物層、断熱材、鉄皮からなる４層構造の製鉄用容器のライニング構造が提案されている。そして、特に、断熱材は、厚みを３０ｍｍ以内とし、３〜１００ｎｍの細孔を有するものが望ましいとしている。
【０００７】
特許文献２及び特許文献３に開示される技術は、一見、断熱性の効果が得られるように見える。しかしながら、特許文献２及び特許文献３に開示される技術を溶銑鍋において適用した場合、各部位のライニング厚みによっては断熱材の適用温度範囲を超える可能性もあり、長期間にわたって断熱効果を得るためには十分な技術とはいえない。つまり、断熱材は一般的な耐火物に比較して耐熱性は低く、通常、１０００℃程度が断熱材使用の上限温度であり、それ以上の温度では変質し、断熱性能を劣化させる。また更に、細孔を有する断熱材を使用した場合には、強度が低下してしまい、使用時に圧縮されて、断熱性能が損なわれるという問題が生じる。
【０００８】
特許文献２及び特許文献３の問題を解決する対策として、特許文献４では、ワーク耐火物層と永久耐火物層との間に保護板を配置する技術を提案している。しかし、この方法では耐火物施工時に保護板を施工する工程が増えるため、耐火物施工費が増大するという問題がある。また、前記保護板は乾燥及び昇熱時には燃焼、消失の可能性もあり、耐火物乾燥工程において、保護板の燃焼、消失に伴う発煙により、作業環境を悪化させる恐れもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−５０２５６号公報
【特許文献２】特開２０００−１０４１１０号公報
【特許文献３】特開２０００−２２６６１１号公報
【特許文献４】特開２００３−４２６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
溶銑鍋のような製鉄用容器のライニング構造を断熱化して、溶湯温度降下量の低減及び鉄皮変形の抑制などを図るには、断熱材の配置位置、及び、耐火物層の層数、厚み、材質を十分に考慮した上で、しかも、施工工数を抑えることのできる耐火物ライニング構造とする必要がある。これらの観点から上記従来技術を検証すれば、未だ改善すべき点が多々あるのが実情である。
【００１１】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、溶鉱炉から出湯される溶銑を受銑して保持し、保持した溶銑を搬送する或いは保持した溶銑に精錬処理を実施するための製鉄用容器の耐火物ライニング構造において、施工が容易であって施工工数を抑えることができるとともに、長期間にわたって断熱効果を十分に発揮することのできる、製鉄用容器の耐火物ライニング構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための第１の発明に係る製鉄用容器の耐火物ライニング構造は、溶鉱炉から出湯される溶銑を受銑して保持し、保持した溶銑を搬送する或いは保持した溶銑に精錬処理を実施するための製鉄用容器の耐火物ライニング構造であって、製鉄用容器の外側から、鉄皮、永久耐火物層、ワーク耐火物層をこの順に有し、前記鉄皮と前記永久耐火物層との間に、圧縮強度が製鉄用容器に溶銑を保持したときに生じる静鉄圧値以上の値である断熱材が配置されていることを特徴とする。
【００１３】
第２の発明に係る製鉄用容器の耐火物ライニング構造は、第１の発明において、前記製鉄用容器の側壁部及び底部においては、前記永久耐火物層は、厚みが３０ｍｍ以上６５ｍｍ以下の成形煉瓦の２層以上の煉瓦層からなることを特徴とする。
【００１４】
第３の発明に係る製鉄用容器の耐火物ライニング構造は、第１または第２の発明において、前記永久耐火物層の煉瓦積み構造は、継ぎ目地構造であることを特徴とする。
【００１５】
第４の発明に係る製鉄用容器の耐火物ライニング構造は、第１ないし第３の発明の何れかにおいて、前記ワーク耐火物層は、施工時の厚みが１００ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００１６】
第５の発明に係る製鉄用容器の耐火物ライニング構造は、第１ないし第４の発明の何れかにおいて、前記断熱材は、厚みが５ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１７】
第６の発明に係る製鉄用容器の耐火物ライニング構造は、第１ないし第５の発明の何れかにおいて、記断熱材は、その熱伝導率が０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることを特徴とする。
【００１８】
第７の発明に係る製鉄用容器の耐火物ライニング構造は、第１ないし第６の発明の何れかにおいて、前記ワーク耐火物層は、熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の成形煉瓦または不定形耐火物からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、断熱材の設置位置を最適化するとともに、強度の高い断熱材を使用して溶銑鍋などの製鉄用容器の耐火物ライニング構造を断熱化するので、施工が容易であり、施工工数を増加させることなく、長期間にわたって十分な断熱効果を得ることができる。その結果、溶銑の熱余裕度の創出が長期間にわたって実現でき、転炉におけるフェロシリコンなどの発熱剤原単位の削減などが可能になり、また、熱余裕度の創出により鉄スクラップ使用量の増加が見込めるため、溶鉱炉での還元剤比の低減、即ちＣＯ2の削減が可能になり、環境に配慮した製鉄プロセスが可能になる。更に、鉄皮の温度が低減するので、鉄皮における亀裂や変形が抑制され、製鉄用容器の長寿命化が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】断熱材の圧縮強度と温度との関係の調査結果を示す図である。
【図２】耐火物ライニングのモデル構造を示す概略図である。
【図３】断熱材の施工位置を変えたときの断熱効果の算出結果を示す図である。
【図４】断熱材の厚みを変化させたときの断熱材内面側の温度変化の算出結果を示す図である。
【図５】断熱効果を確認するための実験装置の概略図である。
【図６】実験装置により得られた熱流束の測定結果を示す図である。
【図７】本発明に係るライニング構造で施工された溶銑鍋の例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００２２】
溶銑鍋に代表される取鍋型形状の製鉄用容器の場合、その抜熱形態は、（ａ）耐火物層を通じた鉄皮から外気への放熱、（ｂ）開口部から外気への放熱の２通りが挙げられる。これらの放熱は何れも、放熱面から外気への輻射伝熱及び放熱面からの対流伝熱による２種の伝熱機構で抜熱されると考えられる。
【００２３】
下記の（１）式に輻射伝熱による放熱量を示す。但し、（１）式において、ＱRは輻射伝熱による放熱量（Ｊ／ｓｅｃ）、σはステファン‐ボルツマン定数（＝５．６７×１０-8Ｊ／（ｍ2・ｓｅｃ・Ｋ4））、εは輻射率（−）、Ｓnは伝熱面面積（ｍ2）、Ｔは物体表面温度（Ｋ）、Ｔ0は外気温度（Ｋ）である。
【００２４】
【数１】
【００２５】
また、下記の（２）式に対流伝熱による放熱量を示す。但し、（２）式において、ＱCは対流伝熱による放熱量（Ｊ／ｓｅｃ）、ｈCは自然対流熱伝達係数（Ｊ／（ｍ2・ｓｅｃ・Ｋ））、Ｓnは伝熱面面積（ｍ2）、Ｔは物体表面温度（Ｋ）、Ｔ0は外気温度（Ｋ）である。
【００２６】
【数２】
【００２７】
本発明者らは、事前検討として、実機溶銑鍋の抜熱量及びその内訳を調査した。その結果を表１に示す。表１に示すように、上記（ａ）の「鉄皮からの抜熱」が全体の約４０％、上記（ｂ）の「開口部からの放熱」が全体の約６０％であることが判明した。
【００２８】
【表１】
【００２９】
この調査により、鉄皮からの抜熱が４割もあることから、ライニング構造の断熱化による抜熱量低減は十分に可能であることが確認できた。そこで、本発明者らは、溶銑鍋の最適ライニングについて種々検討を行った。
【００３０】
先ず、断熱材の圧縮強度の調査を行った。圧縮試験機を用いて断熱材の応力−歪み曲線を測定すると、歪み量の増加に伴って圧縮強度は単調に増大することが測定結果から分かった。そこで、本発明では、１０％の歪み量が負荷されたときの圧縮応力値を断熱材の圧縮強度と定義した。図１に、断熱材Ａ及び断熱材Ｂの圧縮強度（＝１０％の歪み量が負荷されたときの圧縮応力値）と温度との関係の調査結果を示す。尚、断熱材Ａ及び断熱材ＢともにＡｌ2Ｏ3‐ＳｉＯ2系の材質である。また、図１には、溶銑鍋に溶銑を収容したときの溶銑鍋底部での溶銑の静鉄圧（約０．３６ＭＰａ）を示す。
【００３１】
図１に示すように、断熱材Ａ及び断熱材Ｂともに温度の上昇に伴って圧縮強度が増加するが、断熱材Ａにおいては８００℃以上の高温では逆に断熱材の圧縮強度が低下し、静鉄圧値以下となった。これに対して、断熱材Ｂでは常に静鉄圧値以上の圧縮強度であり、高温ほど強度が増加する特性を示した。このように、断熱材の材質や種類によってその圧縮強度が異なるのみならず、圧縮強度と温度との関係も異なることが確認できた。
【００３２】
溶銑鍋やトピードカーなど製鉄用容器の形状及び大きさに応じて静鉄圧値は異なるが、断熱材の強度が静鉄圧値よりも不足した場合には、収容した溶鉄の長期間にわたる質量荷重に起因して断熱材の圧縮による厚み低下が発生する。断熱材の厚みが低下すると、断熱材の熱伝導率が上昇し、断熱材による断熱効果を悪化させてしまうので、断熱材は、使用環境下において、少なくとも使用される製鉄用容器での受銑量或いは受鋼量による静鉄圧値よりも高い圧縮強度を有する必要があることが分かった。尚、断熱材の使用環境としては、１０００℃を上限とすれば十分である。
【００３３】
次いで、断熱材の施工部位について、非定常伝熱計算を用いて総括的に検討した。計算に用いた耐火物ライニングのモデル構造の概略図を図２に示す。ここでは、永久耐火物層３は２層の成形煉瓦を仮定した。断熱材の施工部位を、それぞれ、ワーク耐火物層４と永久耐火物層３との間、永久耐火物層３を構成する２層の成形煉瓦３ａと成形煉瓦３ｂとの間、永久耐火物層３と鉄皮２との間とし、断熱材の厚みを変化させた場合の抜熱量（溶融メタルの温度降下量）を算出した。尚、図２では、永久耐火物層３を構成する２層の成形煉瓦を３ａ及び３ｂで表示しており、一方、断熱材は表示していない。また、図２に示す●印は温度分布を表している。
【００３４】
計算結果を図３に示す。図３の縦軸は、断熱材を設置しないときを基準とし、断熱材を配置したときの溶銑温度の上昇を負の数値で表示しており、負の数値が大きくなるほど、断熱効果が大きいことを示している。図３に示すように、断熱材を上記の三箇所の何れかに設置する場合、ワーク耐火物層４と永久耐火物層３との間に断熱材を施工した場合に最も抜熱量が大きく、一方、永久耐火物層３と鉄皮２との間に断熱材を施工した場合に最も抜熱量が抑制されることが分かった。つまり、永久耐火物層３と鉄皮２との間に断熱材を施工した場合に最も断熱効果が高くなることが分かった。また、断熱材厚みが５ｍｍを超える場合には抜熱量の変化割合が小さくなることも分かった。
【００３５】
また、断熱材を前述したそれぞれの部位に施工した場合において、断熱材の厚みを変化させたときの断熱材の内面側（＝稼働面側）の温度変化を算出した結果を図４に示す。図４に示すように、断熱材を永久耐火物層３と鉄皮２との間に施工した、断熱効果が最も高い場合であっても、断熱材の厚みが５ｍｍを超えると、断熱材の内側温度は１０００℃を超えることが分かった。また、断熱材の厚みが５ｍｍを超えると断熱材厚みに対する温度変化の割合は低下することが分かった。
【００３６】
図３及び図４の結果から、断熱材厚みを５ｍｍよりも大きくしても、抜熱量の変化は単純には増大せず、抜熱量の変化割合は徐々に停滞することが判明した。尚、市販の断熱材は１０００℃を超える高温では、断熱材自身の熱による収縮が起こり、その熱伝導率が増加することが起こり得るため、断熱材の変質を避けるためにも断熱材の温度を１０００℃以下に抑えることが好ましい。
【００３７】
また、溶銑鍋において、永久耐火物層３の成形煉瓦の層数を、１層の場合、２層の場合、３層の場合と変更したときの永久耐火物層３の背面側、つまり断熱材の内面側の温度を調査したところ、永久耐火物層３を２層以上の成形煉瓦とした場合において、前記温度が低位になることが分かった。これは２枚の成形煉瓦間にモルタルなどの接着面が存在することにより、温度ギャップが生じるためである。モルタルが存在しない、所謂「カラ目地」の場合でも、空気層による温度ギャップが生じることから、永久耐火物層３を２層以上の成形煉瓦とすることは有効である。また、永久耐火物層３を２層以上の成形煉瓦とすることは、煉瓦の加熱による熱応力の吸収代を形成する意味でも有効である。また更に、溶銑鍋を用いて、機械攪拌式脱硫設備で脱硫処理（ＫＲ法）などの溶銑予備処理を行う場合、回転攪拌流によって溶銑に遠心力が生じるが、永久耐火物層３を２層以上の成形煉瓦とすることにより、前記遠心力による耐火物及び断熱材への力学的負荷の低減にも有効である。
【００３８】
また更に、永久耐火物層３を構成する２層の成形煉瓦の厚みを変更したときの放熱量、断熱材内面側温度を調査したところ、厚みが３０ｍｍ以上の場合において、放熱量が低位になることが判明した。よって、十分な断熱性能を得るためには成形煉瓦の厚みは３０ｍｍ以上確保することが好ましい。一方、上限については、断熱性の観点からは特に上限値は定めないが、容器の容積確保及び施工性の観点から６５ｍｍ以下とすることが好ましい。尚、永久耐火物層３を構成する成形煉瓦（永久煉瓦ともいう）の材質には、ＭｇＯ質煉瓦、高アルミナ質煉瓦、ロー石質煉瓦などの各種煉瓦を使用することができる。
【００３９】
尚、炉底部においては、漏銑防止、更なる保熱性、溶銑による発生応力緩和の観点から永久耐火物層３を３層以上の成形煉瓦とすることが望ましい。この場合でも１層あたりの煉瓦厚みは３０ｍｍ以上６５ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００４０】
また、永久耐火物層３での２層以上の成形煉瓦のライニング構造は、目地構造を「通し目地（２層の永久煉瓦のそれぞれの目地が同一箇所となること）」ではなく、「継ぎ目地（２層の永久煉瓦のそれぞれの目地が異なる箇所となること）」とすることが望ましい。通し目地構造では目地部へ応力が集中してしまい、亀裂発生（機械的スポーリング）を招き、溶銑或いは溶鋼が亀裂部から耐火物内部に浸入した場合、鉄皮まで到達する恐れがある。これに対して、継ぎ目地構造とすることにより、熱応力及び機械攪拌時の溶鉄の遠心力による負荷応力の緩和を図ることができる。また、継ぎ目地構造では、耐火物に亀裂が万一発生して、溶銑或いは溶鋼が亀裂部から耐火物内部に浸入しても、鉄皮までの経路が増加するために、途中で浸入を食い止めることが可能となり、漏鋼、漏銑の抑止にも有効である。また、ワーク耐火物層と永久耐火物層との間の積み構造も同様に継ぎ目地とすることが好ましい。
【００４１】
本発明者らは、上記の計算結果を実証するために実験室にて実験を行った。実験装置の概略図を図５に示す。電気抵抗加熱炉の側壁部に実機溶銑鍋の耐火物ライニングを模擬したライニング層を設置し、電気抵抗加熱炉の内部温度を熱電対と熱流センサーを用いて一定温度（＝１３００℃）に保持し、そのときの鉄皮表面の熱流束を測定した。断熱材は、それぞれ、ワーク耐火物層４と永久耐火物層３との間、永久耐火物層３の２層の成形煉瓦３ａ及び成形煉瓦３ｂとの間、永久耐火物層３と鉄皮２との間に配置し、断熱材の厚みを、それぞれ、１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ、７ｍｍ、１０ｍｍと変化させた。
【００４２】
熱流束の測定結果を図６に示す。断熱材を永久耐火物層３と鉄皮２の間に施工した条件において、最も熱流束が低位となった。また、各条件で断熱材厚みが５ｍｍまでは断熱材厚みが増加するほど熱流束は低位となったが、５ｍｍから１０ｍｍへと変化しても熱流束の増加は見られなかった。この実験結果から、上記計算結果の妥当性が確認できた。
【００４３】
本発明は上記検討結果に基づきなされたもので、発明に係る製鉄用容器の耐火物ライニング構造は、溶鉱炉から出湯される溶銑を受銑して保持し、保持した溶銑を搬送する或いは保持した溶銑に精錬処理を実施するための製鉄用容器の耐火物ライニング構造であって、製鉄用容器の外側から、鉄皮、永久耐火物層、ワーク耐火物層をこの順に有し、前記鉄皮と前記永久耐火物層との間に、圧縮強度が製鉄用容器に溶銑を保持したときに生じる静鉄圧値以上の値である断熱材が配置されていることを特徴とする。
【００４４】
ワーク耐火物層の厚みに関しては１００ｍｍ以上確保するのが好ましい。通常、溶銑鍋は長期間使用され、ワーク耐火物層はスポーリングやスラグとの反応により徐々に損傷する。耐火物張替えの日数及びコストを削減するためには、最低でも半年に１回の頻度でのワーク耐火物層の張替えにとどめたい。溶銑鍋の長期間使用によりワーク耐火物層が損傷するが、その厚みが稼働開始から半年間経過後に１／４まで低減した場合でも最低３０ｍｍを確保するためには、ワーク耐火物層の厚みは施工時の厚みを１００ｍｍ以上確保することが好ましい。
【００４５】
また、ワーク耐火物層は成形煉瓦または不定形耐火物の何れでも構わないが、ワーク耐火物層を構成する成形煉瓦または不定形耐火物は、断熱性の観点からはなるべく低熱伝導率のものを使用すべきであり、その熱伝導率の上限値を３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下とすることが好ましい。熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）を越える耐火物では断熱材内面側の温度が１０００℃を超えてしまい、断熱材の性能が劣化する恐れがあるからである。尚、ワーク耐火物層を構成する耐火物の材質としては、ＭｇＯ‐Ｃ煉瓦、Ａｌ2Ｏ3‐Ｃ系、Ａｌ2Ｏ3‐ＳｉＣ系、Ａｌ2Ｏ3‐ＳｉＣ‐Ｃ系煉瓦などの各種煉瓦を使用することができる。
【００４６】
本発明で使用する断熱材としては、その材質は、ＳｉＯ2系、Ａｌ2Ｏ3系などの各種材質を使用することができ、特に制限されないが、断熱材の圧縮強度が、その使用時の静鉄圧よりも高いものを使用することが必要である。例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）や、酸化チタンなどが添加された断熱材を用いても構わない。また、ファイバー繊維などを混入させて強度を確保した断熱材を用いてもよい。
【００４７】
断熱材の熱伝導率は、抜熱量低減の効果を得る観点から、０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下とすることが望ましい。０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超えると、放熱量が増大し、期待される断熱効果が得られない。尚、市販の断熱材は１０００℃を超える高温では、断熱材自身の収縮が起こり、熱伝導率の増大が起こり得るため、その使用温度は１０００℃以下にすることが好ましい。また、断熱材の施工に関しては、断熱材への水分吸収を避けるような施工方法を採ることが望ましい。
【００４８】
このような構成の本発明によれば、断熱材の設置位置を最適化するとともに、強度の高い断熱材を使用して溶銑鍋などの製鉄用容器の耐火物ライニング構造を断熱化するので、施工が容易であり、施工工数を増加させることなく、長期間にわたって十分な断熱効果を得ることができる。特に、断熱材の厚みを５ｍｍ以下にした場合には、断熱材は１０００℃を超える温度に曝されることがなく、断熱材の変質が防止されて、長期間にわたって高い断熱効果を得ることが可能となる。
【実施例１】
【００４９】
製鉄用容器として、ヒートサイズが３００トンである、図７に示す溶銑鍋を取り上げ、この溶銑鍋の側壁部及び底部に種々の施工方法で、ワーク耐火物層、永久耐火物層及び断熱材を施工した。ここで、ヒートサイズが３００トンのときに算出される溶銑鍋底部での静鉄圧は０．４ＭＰａである。本発明例及び比較例の施工条件を表２に示す。尚、図７において、符号１は溶銑鍋、２は鉄皮、３は永久耐火物層、４はワーク耐火物層、５は断熱材であり、図７は、本発明例１の例を示している。
【００５０】
【表２】
【００５１】
本発明例１では、材質がＡｌ2Ｏ3‐ＳｉＯ2系で、圧縮強度が、常温及び１０００℃においてそれぞれ０．６ＭＰａ、１．２ＭＰａで、厚みが３ｍｍの断熱材を使用した。この断熱材を永久耐火物層と鉄皮との間に施工した。断熱材の熱伝導率は０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。永久耐火物層は、成形煉瓦の１層とし、その厚みを６０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１００ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。
【００５２】
本発明例２では、材質がＡｌ2Ｏ3‐ＳｉＯ2‐ＳｉＣ系で、圧縮強度が、常温及び１０００℃においてそれぞれ０．７ＭＰａ、１．３ＭＰａで、厚みが３ｍｍの断熱材を使用した。この断熱材を永久耐火物層と鉄皮との間に施工した。断熱材の熱伝導率は０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。永久耐火物層は、成形煉瓦の２層の通し目地構造とし、１層あたりの厚みを３０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１００ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。
【００５３】
本発明例３では、本発明例２と同一材質、同一強度、同一厚みの断熱材を永久耐火物層と鉄皮との間に施工した。永久耐火物層は、成形煉瓦の２層の継ぎ目地構造とし、１層あたりの厚みを３０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１００ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。
【００５４】
本発明例４では、本発明例２と同一材質、同一強度、同一厚みの断熱材を永久耐火物層と鉄皮との間に施工した。永久耐火物層は、成形煉瓦の２層の継ぎ目地構造とし、１層あたりの厚みを３０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１８０ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。
【００５５】
本発明例５では、本発明例２と同一材質、同一強度で、厚みが５ｍｍの断熱材を永久耐火物層と鉄皮との間に施工した。永久耐火物層は、成形煉瓦の２層の継ぎ目地構造とし、１層あたりの厚みを３０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１８０ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。
【００５６】
本発明例６では、材質がＡｌ2Ｏ3‐ＳｉＯ2‐ＳｉＣ系で、圧縮強度が、常温及び１０００℃においてそれぞれ０．７ＭＰａ、１．３ＭＰａで、厚みが５ｍｍの断熱材を使用した。この断熱材を永久耐火物層と鉄皮との間に施工した。断熱材の熱伝導率は０．０２Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。永久耐火物層は、成形煉瓦の２層の継ぎ目地構造とし、１層あたりの厚みを３０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１８０ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。
【００５７】
これに対して、比較例１では、永久耐火物層は１層とし、その厚みを６０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１００ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。断熱材は施工しなかった。
【００５８】
比較例２では、永久耐火物層は２層の通し目地構造とし、１層あたりの厚みを３０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１００ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。断熱材は施工しなかった。
【００５９】
比較例３では、材質がＡｌ2Ｏ3‐ＳｉＯ2系で、圧縮強度が、常温及び１０００℃においてそれぞれ０．２ＭＰａ、０．３５ＭＰａで、厚みが３ｍｍの断熱材を使用した。この断熱材を永久耐火物層と鉄皮との間に施工した。断熱材の熱伝導率は０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。永久耐火物層は２層の継ぎ目地構造とし、１層あたりの厚みを３０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１００ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。
【００６０】
比較例４では、材質がＡｌ2Ｏ3‐ＳｉＯ2系で、圧縮強度が、常温及び１０００℃においてそれぞれ０．２ＭＰａ、０．３５ＭＰａで、厚みが３ｍｍの断熱材を使用した。この断熱材を永久耐火物層の２層の永久煉瓦間に施工した。断熱材の熱伝導率は０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。永久耐火物層は２層の継ぎ目地構造とし、１層あたりの厚みを３０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１００ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。
【００６１】
比較例５では、材質がＡｌ2Ｏ3‐ＳｉＯ2系で、圧縮強度が、常温及び１０００℃においてそれぞれ０．２ＭＰａ、０．３５ＭＰａで、厚みが３ｍｍの断熱材を使用した。この断熱材をワーク耐火物層と永久耐火物層との間に施工した。断熱材の熱伝導率は０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。永久耐火物層は２層の継ぎ目地構造とし、１層あたりの厚みを３０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１００ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。
【００６２】
本発明例及び比較例の施工条件の溶銑鍋を用いて溶鉱炉から出湯される約３００トンの溶銑を受銑し、受銑から溶銑払出しの期間における溶銑温度の降下量（℃）を調査した。また、それぞれ耐火物ライニング構造が異なることから、各溶銑鍋での平均受銑量を調査した。また更に、赤外線温度計を用いて各溶銑鍋の鉄皮温度を測定し、各条件での最高鉄皮温度を比較した。尚、全ての調査において、受銑から溶銑払出までの間は溶銑処理がない条件、つまり、途中で昇温処理工程或いは降温処理工程がない条件で調査を行った。また、これら溶銑鍋の耐火物修理の時に溶銑鍋内を観察し、永久耐火物層の状態を確認するとともに、断熱材を回収して断熱材の厚みを測定した。調査結果を表３に示す。
【００６３】
【表３】
【００６４】
本発明の条件を満たす本発明例１〜６は、比較例１〜５の何れと比較しても、最高鉄皮温度及び溶銑温度降下量ともに、低位であり断熱の効果が有効に得られていた。溶銑を払いだした後の空の溶銑鍋での地金付着状況を観察した結果、本発明例１〜６の溶銑鍋では地金付着は観察されなかったが、断熱材を施工していない比較例１〜２では地金付着が観察された。その結果として、平均受銑量も本発明例１〜６のほうが比較例１〜２に比較して増加した。
【００６５】
また、本発明例１〜６と比較例３とを比較すると、断熱材の圧縮強度が高い本発明例１〜６では、使用後の断熱材の厚み減少が低位であった。これにより、１回の断熱材施工により、断熱材を更新することなく、ワーク耐火物層の複数回の張替え施工にわたって断熱効果が持続されることが明らかになった。
【００６６】
ここで、永久耐火物層の目地構造が異なる本発明例２と本発明例３とを比較すると、継ぎ目地構造である本発明例３の方が、通し目地構造である本発明例２に比較して永久耐火物層の劣化が低位であり、地金の浸入もなかった。これは本発明例３では、永久煉瓦の積み構造が継ぎ目地であるので、耐火物内の負荷応力が緩和され、且つ、地金の鉄皮側への浸入を抑止する効果が得られたためである。
【００６７】
更に、本発明例４では、ワーク耐火物層の厚みを増加し、ワーク耐火物層として熱伝導率の低位のものを使用したため、より一層熱ロス低減が向上した。本発明例５では、断熱材厚みが最適条件の最大値であり、本発明例４よりも更に溶銑温度降下量を抑止することができた。また、本発明例６では、断熱材の圧縮強度のみならず熱伝導率を更に有利な条件としたことで、本発明例の中でも最も高い断熱効果を実現した。
【００６８】
以上の結果から、断熱条件を的確に規定した本発明の優位性が確認できた。
【符号の説明】
【００６９】
１ 溶銑鍋
２ 鉄皮
３ 永久耐火物層
４ ワーク耐火物層
５ 断熱材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶鉱炉から出湯される溶銑を受銑して保持し、保持した溶銑を搬送する、或いは保持した溶銑に精錬処理を実施するための製鉄用容器の耐火物ライニング構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日の製鉄プロセスにおいては、溶鉱炉で製造されて溶鉱炉から出湯される溶銑は、トピードカーまたは溶銑鍋に代表される容器で受銑され、次工程の製鋼工程へと輸送される。また、製鋼工程の転炉或いは電気炉で溶製された溶鋼は、取鍋などの容器に出湯され、二次精錬工程や連続鋳造工程などの次工程へと輸送される。これらの製鉄用容器は、一般的には、稼働面（溶湯との接触面）側から順に、ワーク耐火物層、永久耐火物層、鉄皮の３層から形成されるライニング構造である。ワーク耐火物層及び永久耐火物層は、ともに成形煉瓦（定形耐火物）または不定形耐火物で構成され、成形煉瓦で構成されるときには、ワーク煉瓦層及び永久煉瓦層とも呼ばれる。尚、本発明においては、溶銑及び溶鋼を受けるための容器をまとめて製鉄用容器と称する。
【０００３】
溶銑或いは溶鋼を次工程へ輸送する場合、その経過時間（以下、「リードタイム」と記す）が長くなると、溶銑或いは溶鋼の熱が耐火物層を伝達し、鉄皮から外気に放出する熱量が増大し、溶銑或いは溶鋼の温度降下量が増大するという問題が発生する。この温度降下量の増大は転炉におけるフェロシリコンなどの熱源の原単位の増大を招くので、鋼製品製造コストの合理化の観点からも重要な開発課題である。また、リードタイムが長くなると、最外殻である鉄皮の温度が上昇し、鉄皮のクリープ変形や亀裂発生を引き起こす恐れがある。そこで、これらの問題を解決する手段の一つとして、製鉄用容器のライニング構造での断熱化に関する技術が幾つか提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、鉄皮に断熱ボード及びワーク煉瓦層をこの順に施工してなる取鍋において、断熱ボードとワーク煉瓦層との間にロー石煉瓦などの断熱煉瓦を設けた断熱ライニング構造が提案されている。そして、特に、断熱煉瓦層の厚みは６０ｍｍ以上、ワーク煉瓦層の厚みは３０ｍｍ以下が望ましいとしている。
【０００５】
しかしながら、溶銑を受銑する溶銑鍋に対して、特許文献１に記載されている技術を適用した場合には、断熱煉瓦の厚みが大きく、溶銑鍋の容積が低下するという問題点がある。また、断熱煉瓦の厚みが大きいことから断熱煉瓦内の温度勾配が大きくなり、断熱煉瓦内に亀裂が発生して耐火物寿命が低下する恐れもある。また更に、ワーク煉瓦層の厚みを３０ｍｍ以下にすると、断熱煉瓦の稼働面側温度が高温になることから、それに応じて熱伝達量が増加し、結果的に断熱性能が低下するという懸念もある。
【０００６】
一方、特許文献２及び特許文献３には、熱伝導率の範囲を規定した断熱材を、永久耐火物層と鉄皮との間に配置し、稼働面側から、ワーク耐火物層、永久耐火物層、断熱材、鉄皮からなる４層構造の製鉄用容器のライニング構造が提案されている。そして、特に、断熱材は、厚みを３０ｍｍ以内とし、３〜１００ｎｍの細孔を有するものが望ましいとしている。
【０００７】
特許文献２及び特許文献３に開示される技術は、一見、断熱性の効果が得られるように見える。しかしながら、特許文献２及び特許文献３に開示される技術を溶銑鍋において適用した場合、各部位のライニング厚みによっては断熱材の適用温度範囲を超える可能性もあり、長期間にわたって断熱効果を得るためには十分な技術とはいえない。つまり、断熱材は一般的な耐火物に比較して耐熱性は低く、通常、１０００℃程度が断熱材使用の上限温度であり、それ以上の温度では変質し、断熱性能を劣化させる。また更に、細孔を有する断熱材を使用した場合には、強度が低下してしまい、使用時に圧縮されて、断熱性能が損なわれるという問題が生じる。
【０００８】
特許文献２及び特許文献３の問題を解決する対策として、特許文献４では、ワーク耐火物層と永久耐火物層との間に保護板を配置する技術を提案している。しかし、この方法では耐火物施工時に保護板を施工する工程が増えるため、耐火物施工費が増大するという問題がある。また、前記保護板は乾燥及び昇熱時には燃焼、消失の可能性もあり、耐火物乾燥工程において、保護板の燃焼、消失に伴う発煙により、作業環境を悪化させる恐れもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−５０２５６号公報
【特許文献２】特開２０００−１０４１１０号公報
【特許文献３】特開２０００−２２６６１１号公報
【特許文献４】特開２００３−４２６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
溶銑鍋のような製鉄用容器のライニング構造を断熱化して、溶湯温度降下量の低減及び鉄皮変形の抑制などを図るには、断熱材の配置位置、及び、耐火物層の層数、厚み、材質を十分に考慮した上で、しかも、施工工数を抑えることのできる耐火物ライニング構造とする必要がある。これらの観点から上記従来技術を検証すれば、未だ改善すべき点が多々あるのが実情である。
【００１１】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、溶鉱炉から出湯される溶銑を受銑して保持し、保持した溶銑を搬送する或いは保持した溶銑に精錬処理を実施するための製鉄用容器の耐火物ライニング構造において、施工が容易であって施工工数を抑えることができるとともに、長期間にわたって断熱効果を十分に発揮することのできる、製鉄用容器の耐火物ライニング構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するための第１の発明に係る製鉄用容器の耐火物ライニング構造は、溶鉱炉から出湯される溶銑を受銑して保持し、保持した溶銑を搬送する或いは保持した溶銑に精錬処理を実施するための製鉄用容器の耐火物ライニング構造であって、製鉄用容器の外側から、鉄皮、永久耐火物層、ワーク耐火物層をこの順に有し、前記鉄皮と前記永久耐火物層との間に、圧縮強度が製鉄用容器に溶銑を保持したときに生じる静鉄圧値以上の値である断熱材が配置されていることを特徴とする。
【００１３】
第２の発明に係る製鉄用容器の耐火物ライニング構造は、第１の発明において、前記製鉄用容器の側壁部及び底部においては、前記永久耐火物層は、厚みが３０ｍｍ以上６５ｍｍ以下の成形煉瓦の２層以上の煉瓦層からなることを特徴とする。
【００１４】
第３の発明に係る製鉄用容器の耐火物ライニング構造は、第１または第２の発明において、前記永久耐火物層の煉瓦積み構造は、継ぎ目地構造であることを特徴とする。
【００１５】
第４の発明に係る製鉄用容器の耐火物ライニング構造は、第１ないし第３の発明の何れかにおいて、前記ワーク耐火物層は、施工時の厚みが１００ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００１６】
第５の発明に係る製鉄用容器の耐火物ライニング構造は、第１ないし第４の発明の何れかにおいて、前記断熱材は、厚みが５ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１７】
第６の発明に係る製鉄用容器の耐火物ライニング構造は、第１ないし第５の発明の何れかにおいて、記断熱材は、その熱伝導率が０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることを特徴とする。
【００１８】
第７の発明に係る製鉄用容器の耐火物ライニング構造は、第１ないし第６の発明の何れかにおいて、前記ワーク耐火物層は、熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の成形煉瓦または不定形耐火物からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、断熱材の設置位置を最適化するとともに、強度の高い断熱材を使用して溶銑鍋などの製鉄用容器の耐火物ライニング構造を断熱化するので、施工が容易であり、施工工数を増加させることなく、長期間にわたって十分な断熱効果を得ることができる。その結果、溶銑の熱余裕度の創出が長期間にわたって実現でき、転炉におけるフェロシリコンなどの発熱剤原単位の削減などが可能になり、また、熱余裕度の創出により鉄スクラップ使用量の増加が見込めるため、溶鉱炉での還元剤比の低減、即ちＣＯ2の削減が可能になり、環境に配慮した製鉄プロセスが可能になる。更に、鉄皮の温度が低減するので、鉄皮における亀裂や変形が抑制され、製鉄用容器の長寿命化が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】断熱材の圧縮強度と温度との関係の調査結果を示す図である。
【図２】耐火物ライニングのモデル構造を示す概略図である。
【図３】断熱材の施工位置を変えたときの断熱効果の算出結果を示す図である。
【図４】断熱材の厚みを変化させたときの断熱材内面側の温度変化の算出結果を示す図である。
【図５】断熱効果を確認するための実験装置の概略図である。
【図６】実験装置により得られた熱流束の測定結果を示す図である。
【図７】本発明に係るライニング構造で施工された溶銑鍋の例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００２２】
溶銑鍋に代表される取鍋型形状の製鉄用容器の場合、その抜熱形態は、（ａ）耐火物層を通じた鉄皮から外気への放熱、（ｂ）開口部から外気への放熱の２通りが挙げられる。これらの放熱は何れも、放熱面から外気への輻射伝熱及び放熱面からの対流伝熱による２種の伝熱機構で抜熱されると考えられる。
【００２３】
下記の（１）式に輻射伝熱による放熱量を示す。但し、（１）式において、ＱRは輻射伝熱による放熱量（Ｊ／ｓｅｃ）、σはステファン‐ボルツマン定数（＝５．６７×１０-8Ｊ／（ｍ2・ｓｅｃ・Ｋ4））、εは輻射率（−）、Ｓnは伝熱面面積（ｍ2）、Ｔは物体表面温度（Ｋ）、Ｔ0は外気温度（Ｋ）である。
【００２４】
【数１】
【００２５】
また、下記の（２）式に対流伝熱による放熱量を示す。但し、（２）式において、ＱCは対流伝熱による放熱量（Ｊ／ｓｅｃ）、ｈCは自然対流熱伝達係数（Ｊ／（ｍ2・ｓｅｃ・Ｋ））、Ｓnは伝熱面面積（ｍ2）、Ｔは物体表面温度（Ｋ）、Ｔ0は外気温度（Ｋ）である。
【００２６】
【数２】
【００２７】
本発明者らは、事前検討として、実機溶銑鍋の抜熱量及びその内訳を調査した。その結果を表１に示す。表１に示すように、上記（ａ）の「鉄皮からの抜熱」が全体の約４０％、上記（ｂ）の「開口部からの放熱」が全体の約６０％であることが判明した。
【００２８】
【表１】
【００２９】
この調査により、鉄皮からの抜熱が４割もあることから、ライニング構造の断熱化による抜熱量低減は十分に可能であることが確認できた。そこで、本発明者らは、溶銑鍋の最適ライニングについて種々検討を行った。
【００３０】
先ず、断熱材の圧縮強度の調査を行った。圧縮試験機を用いて断熱材の応力−歪み曲線を測定すると、歪み量の増加に伴って圧縮強度は単調に増大することが測定結果から分かった。そこで、本発明では、１０％の歪み量が負荷されたときの圧縮応力値を断熱材の圧縮強度と定義した。図１に、断熱材Ａ及び断熱材Ｂの圧縮強度（＝１０％の歪み量が負荷されたときの圧縮応力値）と温度との関係の調査結果を示す。尚、断熱材Ａ及び断熱材ＢともにＡｌ2Ｏ3‐ＳｉＯ2系の材質である。また、図１には、溶銑鍋に溶銑を収容したときの溶銑鍋底部での溶銑の静鉄圧（約０．３６ＭＰａ）を示す。
【００３１】
図１に示すように、断熱材Ａ及び断熱材Ｂともに温度の上昇に伴って圧縮強度が増加するが、断熱材Ａにおいては８００℃以上の高温では逆に断熱材の圧縮強度が低下し、静鉄圧値以下となった。これに対して、断熱材Ｂでは常に静鉄圧値以上の圧縮強度であり、高温ほど強度が増加する特性を示した。このように、断熱材の材質や種類によってその圧縮強度が異なるのみならず、圧縮強度と温度との関係も異なることが確認できた。
【００３２】
溶銑鍋やトピードカーなど製鉄用容器の形状及び大きさに応じて静鉄圧値は異なるが、断熱材の強度が静鉄圧値よりも不足した場合には、収容した溶鉄の長期間にわたる質量荷重に起因して断熱材の圧縮による厚み低下が発生する。断熱材の厚みが低下すると、断熱材の熱伝導率が上昇し、断熱材による断熱効果を悪化させてしまうので、断熱材は、使用環境下において、少なくとも使用される製鉄用容器での受銑量或いは受鋼量による静鉄圧値よりも高い圧縮強度を有する必要があることが分かった。尚、断熱材の使用環境としては、１０００℃を上限とすれば十分である。
【００３３】
次いで、断熱材の施工部位について、非定常伝熱計算を用いて総括的に検討した。計算に用いた耐火物ライニングのモデル構造の概略図を図２に示す。ここでは、永久耐火物層３は２層の成形煉瓦を仮定した。断熱材の施工部位を、それぞれ、ワーク耐火物層４と永久耐火物層３との間、永久耐火物層３を構成する２層の成形煉瓦３ａと成形煉瓦３ｂとの間、永久耐火物層３と鉄皮２との間とし、断熱材の厚みを変化させた場合の抜熱量（溶融メタルの温度降下量）を算出した。尚、図２では、永久耐火物層３を構成する２層の成形煉瓦を３ａ及び３ｂで表示しており、一方、断熱材は表示していない。また、図２に示す●印は温度分布を表している。
【００３４】
計算結果を図３に示す。図３の縦軸は、断熱材を設置しないときを基準とし、断熱材を配置したときの溶銑温度の上昇を負の数値で表示しており、負の数値が大きくなるほど、断熱効果が大きいことを示している。図３に示すように、断熱材を上記の三箇所の何れかに設置する場合、ワーク耐火物層４と永久耐火物層３との間に断熱材を施工した場合に最も抜熱量が大きく、一方、永久耐火物層３と鉄皮２との間に断熱材を施工した場合に最も抜熱量が抑制されることが分かった。つまり、永久耐火物層３と鉄皮２との間に断熱材を施工した場合に最も断熱効果が高くなることが分かった。また、断熱材厚みが５ｍｍを超える場合には抜熱量の変化割合が小さくなることも分かった。
【００３５】
また、断熱材を前述したそれぞれの部位に施工した場合において、断熱材の厚みを変化させたときの断熱材の内面側（＝稼働面側）の温度変化を算出した結果を図４に示す。図４に示すように、断熱材を永久耐火物層３と鉄皮２との間に施工した、断熱効果が最も高い場合であっても、断熱材の厚みが５ｍｍを超えると、断熱材の内側温度は１０００℃を超えることが分かった。また、断熱材の厚みが５ｍｍを超えると断熱材厚みに対する温度変化の割合は低下することが分かった。
【００３６】
図３及び図４の結果から、断熱材厚みを５ｍｍよりも大きくしても、抜熱量の変化は単純には増大せず、抜熱量の変化割合は徐々に停滞することが判明した。尚、市販の断熱材は１０００℃を超える高温では、断熱材自身の熱による収縮が起こり、その熱伝導率が増加することが起こり得るため、断熱材の変質を避けるためにも断熱材の温度を１０００℃以下に抑えることが好ましい。
【００３７】
また、溶銑鍋において、永久耐火物層３の成形煉瓦の層数を、１層の場合、２層の場合、３層の場合と変更したときの永久耐火物層３の背面側、つまり断熱材の内面側の温度を調査したところ、永久耐火物層３を２層以上の成形煉瓦とした場合において、前記温度が低位になることが分かった。これは２枚の成形煉瓦間にモルタルなどの接着面が存在することにより、温度ギャップが生じるためである。モルタルが存在しない、所謂「カラ目地」の場合でも、空気層による温度ギャップが生じることから、永久耐火物層３を２層以上の成形煉瓦とすることは有効である。また、永久耐火物層３を２層以上の成形煉瓦とすることは、煉瓦の加熱による熱応力の吸収代を形成する意味でも有効である。また更に、溶銑鍋を用いて、機械攪拌式脱硫設備で脱硫処理（ＫＲ法）などの溶銑予備処理を行う場合、回転攪拌流によって溶銑に遠心力が生じるが、永久耐火物層３を２層以上の成形煉瓦とすることにより、前記遠心力による耐火物及び断熱材への力学的負荷の低減にも有効である。
【００３８】
また更に、永久耐火物層３を構成する２層の成形煉瓦の厚みを変更したときの放熱量、断熱材内面側温度を調査したところ、厚みが３０ｍｍ以上の場合において、放熱量が低位になることが判明した。よって、十分な断熱性能を得るためには成形煉瓦の厚みは３０ｍｍ以上確保することが好ましい。一方、上限については、断熱性の観点からは特に上限値は定めないが、容器の容積確保及び施工性の観点から６５ｍｍ以下とすることが好ましい。尚、永久耐火物層３を構成する成形煉瓦（永久煉瓦ともいう）の材質には、ＭｇＯ質煉瓦、高アルミナ質煉瓦、ロー石質煉瓦などの各種煉瓦を使用することができる。
【００３９】
尚、炉底部においては、漏銑防止、更なる保熱性、溶銑による発生応力緩和の観点から永久耐火物層３を３層以上の成形煉瓦とすることが望ましい。この場合でも１層あたりの煉瓦厚みは３０ｍｍ以上６５ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００４０】
また、永久耐火物層３での２層以上の成形煉瓦のライニング構造は、目地構造を「通し目地（２層の永久煉瓦のそれぞれの目地が同一箇所となること）」ではなく、「継ぎ目地（２層の永久煉瓦のそれぞれの目地が異なる箇所となること）」とすることが望ましい。通し目地構造では目地部へ応力が集中してしまい、亀裂発生（機械的スポーリング）を招き、溶銑或いは溶鋼が亀裂部から耐火物内部に浸入した場合、鉄皮まで到達する恐れがある。これに対して、継ぎ目地構造とすることにより、熱応力及び機械攪拌時の溶鉄の遠心力による負荷応力の緩和を図ることができる。また、継ぎ目地構造では、耐火物に亀裂が万一発生して、溶銑或いは溶鋼が亀裂部から耐火物内部に浸入しても、鉄皮までの経路が増加するために、途中で浸入を食い止めることが可能となり、漏鋼、漏銑の抑止にも有効である。また、ワーク耐火物層と永久耐火物層との間の積み構造も同様に継ぎ目地とすることが好ましい。
【００４１】
本発明者らは、上記の計算結果を実証するために実験室にて実験を行った。実験装置の概略図を図５に示す。電気抵抗加熱炉の側壁部に実機溶銑鍋の耐火物ライニングを模擬したライニング層を設置し、電気抵抗加熱炉の内部温度を熱電対と熱流センサーを用いて一定温度（＝１３００℃）に保持し、そのときの鉄皮表面の熱流束を測定した。断熱材は、それぞれ、ワーク耐火物層４と永久耐火物層３との間、永久耐火物層３の２層の成形煉瓦３ａ及び成形煉瓦３ｂとの間、永久耐火物層３と鉄皮２との間に配置し、断熱材の厚みを、それぞれ、１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ、７ｍｍ、１０ｍｍと変化させた。
【００４２】
熱流束の測定結果を図６に示す。断熱材を永久耐火物層３と鉄皮２の間に施工した条件において、最も熱流束が低位となった。また、各条件で断熱材厚みが５ｍｍまでは断熱材厚みが増加するほど熱流束は低位となったが、５ｍｍから１０ｍｍへと変化しても熱流束の増加は見られなかった。この実験結果から、上記計算結果の妥当性が確認できた。
【００４３】
本発明は上記検討結果に基づきなされたもので、発明に係る製鉄用容器の耐火物ライニング構造は、溶鉱炉から出湯される溶銑を受銑して保持し、保持した溶銑を搬送する或いは保持した溶銑に精錬処理を実施するための製鉄用容器の耐火物ライニング構造であって、製鉄用容器の外側から、鉄皮、永久耐火物層、ワーク耐火物層をこの順に有し、前記鉄皮と前記永久耐火物層との間に、圧縮強度が製鉄用容器に溶銑を保持したときに生じる静鉄圧値以上の値である断熱材が配置されていることを特徴とする。
【００４４】
ワーク耐火物層の厚みに関しては１００ｍｍ以上確保するのが好ましい。通常、溶銑鍋は長期間使用され、ワーク耐火物層はスポーリングやスラグとの反応により徐々に損傷する。耐火物張替えの日数及びコストを削減するためには、最低でも半年に１回の頻度でのワーク耐火物層の張替えにとどめたい。溶銑鍋の長期間使用によりワーク耐火物層が損傷するが、その厚みが稼働開始から半年間経過後に１／４まで低減した場合でも最低３０ｍｍを確保するためには、ワーク耐火物層の厚みは施工時の厚みを１００ｍｍ以上確保することが好ましい。
【００４５】
また、ワーク耐火物層は成形煉瓦または不定形耐火物の何れでも構わないが、ワーク耐火物層を構成する成形煉瓦または不定形耐火物は、断熱性の観点からはなるべく低熱伝導率のものを使用すべきであり、その熱伝導率の上限値を３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下とすることが好ましい。熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）を越える耐火物では断熱材内面側の温度が１０００℃を超えてしまい、断熱材の性能が劣化する恐れがあるからである。尚、ワーク耐火物層を構成する耐火物の材質としては、ＭｇＯ‐Ｃ煉瓦、Ａｌ2Ｏ3‐Ｃ系、Ａｌ2Ｏ3‐ＳｉＣ系、Ａｌ2Ｏ3‐ＳｉＣ‐Ｃ系煉瓦などの各種煉瓦を使用することができる。
【００４６】
本発明で使用する断熱材としては、その材質は、ＳｉＯ2系、Ａｌ2Ｏ3系などの各種材質を使用することができ、特に制限されないが、断熱材の圧縮強度が、その使用時の静鉄圧よりも高いものを使用することが必要である。例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）や、酸化チタンなどが添加された断熱材を用いても構わない。また、ファイバー繊維などを混入させて強度を確保した断熱材を用いてもよい。
【００４７】
断熱材の熱伝導率は、抜熱量低減の効果を得る観点から、０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下とすることが望ましい。０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超えると、放熱量が増大し、期待される断熱効果が得られない。尚、市販の断熱材は１０００℃を超える高温では、断熱材自身の収縮が起こり、熱伝導率の増大が起こり得るため、その使用温度は１０００℃以下にすることが好ましい。また、断熱材の施工に関しては、断熱材への水分吸収を避けるような施工方法を採ることが望ましい。
【００４８】
このような構成の本発明によれば、断熱材の設置位置を最適化するとともに、強度の高い断熱材を使用して溶銑鍋などの製鉄用容器の耐火物ライニング構造を断熱化するので、施工が容易であり、施工工数を増加させることなく、長期間にわたって十分な断熱効果を得ることができる。特に、断熱材の厚みを５ｍｍ以下にした場合には、断熱材は１０００℃を超える温度に曝されることがなく、断熱材の変質が防止されて、長期間にわたって高い断熱効果を得ることが可能となる。
【実施例１】
【００４９】
製鉄用容器として、ヒートサイズが３００トンである、図７に示す溶銑鍋を取り上げ、この溶銑鍋の側壁部及び底部に種々の施工方法で、ワーク耐火物層、永久耐火物層及び断熱材を施工した。ここで、ヒートサイズが３００トンのときに算出される溶銑鍋底部での静鉄圧は０．４ＭＰａである。本発明例及び比較例の施工条件を表２に示す。尚、図７において、符号１は溶銑鍋、２は鉄皮、３は永久耐火物層、４はワーク耐火物層、５は断熱材であり、図７は、本発明例１の例を示している。
【００５０】
【表２】
【００５１】
本発明例１では、材質がＡｌ2Ｏ3‐ＳｉＯ2系で、圧縮強度が、常温及び１０００℃においてそれぞれ０．６ＭＰａ、１．２ＭＰａで、厚みが３ｍｍの断熱材を使用した。この断熱材を永久耐火物層と鉄皮との間に施工した。断熱材の熱伝導率は０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。永久耐火物層は、成形煉瓦の１層とし、その厚みを６０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１００ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。
【００５２】
本発明例２では、材質がＡｌ2Ｏ3‐ＳｉＯ2‐ＳｉＣ系で、圧縮強度が、常温及び１０００℃においてそれぞれ０．７ＭＰａ、１．３ＭＰａで、厚みが３ｍｍの断熱材を使用した。この断熱材を永久耐火物層と鉄皮との間に施工した。断熱材の熱伝導率は０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。永久耐火物層は、成形煉瓦の２層の通し目地構造とし、１層あたりの厚みを３０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１００ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。
【００５３】
本発明例３では、本発明例２と同一材質、同一強度、同一厚みの断熱材を永久耐火物層と鉄皮との間に施工した。永久耐火物層は、成形煉瓦の２層の継ぎ目地構造とし、１層あたりの厚みを３０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１００ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。
【００５４】
本発明例４では、本発明例２と同一材質、同一強度、同一厚みの断熱材を永久耐火物層と鉄皮との間に施工した。永久耐火物層は、成形煉瓦の２層の継ぎ目地構造とし、１層あたりの厚みを３０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１８０ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。
【００５５】
本発明例５では、本発明例２と同一材質、同一強度で、厚みが５ｍｍの断熱材を永久耐火物層と鉄皮との間に施工した。永久耐火物層は、成形煉瓦の２層の継ぎ目地構造とし、１層あたりの厚みを３０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１８０ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。
【００５６】
本発明例６では、材質がＡｌ2Ｏ3‐ＳｉＯ2‐ＳｉＣ系で、圧縮強度が、常温及び１０００℃においてそれぞれ０．７ＭＰａ、１．３ＭＰａで、厚みが５ｍｍの断熱材を使用した。この断熱材を永久耐火物層と鉄皮との間に施工した。断熱材の熱伝導率は０．０２Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。永久耐火物層は、成形煉瓦の２層の継ぎ目地構造とし、１層あたりの厚みを３０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１８０ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。
【００５７】
これに対して、比較例１では、永久耐火物層は１層とし、その厚みを６０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１００ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。断熱材は施工しなかった。
【００５８】
比較例２では、永久耐火物層は２層の通し目地構造とし、１層あたりの厚みを３０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１００ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。断熱材は施工しなかった。
【００５９】
比較例３では、材質がＡｌ2Ｏ3‐ＳｉＯ2系で、圧縮強度が、常温及び１０００℃においてそれぞれ０．２ＭＰａ、０．３５ＭＰａで、厚みが３ｍｍの断熱材を使用した。この断熱材を永久耐火物層と鉄皮との間に施工した。断熱材の熱伝導率は０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。永久耐火物層は２層の継ぎ目地構造とし、１層あたりの厚みを３０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１００ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。
【００６０】
比較例４では、材質がＡｌ2Ｏ3‐ＳｉＯ2系で、圧縮強度が、常温及び１０００℃においてそれぞれ０．２ＭＰａ、０．３５ＭＰａで、厚みが３ｍｍの断熱材を使用した。この断熱材を永久耐火物層の２層の永久煉瓦間に施工した。断熱材の熱伝導率は０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。永久耐火物層は２層の継ぎ目地構造とし、１層あたりの厚みを３０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１００ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。
【００６１】
比較例５では、材質がＡｌ2Ｏ3‐ＳｉＯ2系で、圧縮強度が、常温及び１０００℃においてそれぞれ０．２ＭＰａ、０．３５ＭＰａで、厚みが３ｍｍの断熱材を使用した。この断熱材をワーク耐火物層と永久耐火物層との間に施工した。断熱材の熱伝導率は０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。永久耐火物層は２層の継ぎ目地構造とし、１層あたりの厚みを３０ｍｍとした。ワーク耐火物層は、厚み１００ｍｍ、１０００℃における熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）のものを使用した。
【００６２】
本発明例及び比較例の施工条件の溶銑鍋を用いて溶鉱炉から出湯される約３００トンの溶銑を受銑し、受銑から溶銑払出しの期間における溶銑温度の降下量（℃）を調査した。また、それぞれ耐火物ライニング構造が異なることから、各溶銑鍋での平均受銑量を調査した。また更に、赤外線温度計を用いて各溶銑鍋の鉄皮温度を測定し、各条件での最高鉄皮温度を比較した。尚、全ての調査において、受銑から溶銑払出までの間は溶銑処理がない条件、つまり、途中で昇温処理工程或いは降温処理工程がない条件で調査を行った。また、これら溶銑鍋の耐火物修理の時に溶銑鍋内を観察し、永久耐火物層の状態を確認するとともに、断熱材を回収して断熱材の厚みを測定した。調査結果を表３に示す。
【００６３】
【表３】
【００６４】
本発明の条件を満たす本発明例１〜６は、比較例１〜５の何れと比較しても、最高鉄皮温度及び溶銑温度降下量ともに、低位であり断熱の効果が有効に得られていた。溶銑を払いだした後の空の溶銑鍋での地金付着状況を観察した結果、本発明例１〜６の溶銑鍋では地金付着は観察されなかったが、断熱材を施工していない比較例１〜２では地金付着が観察された。その結果として、平均受銑量も本発明例１〜６のほうが比較例１〜２に比較して増加した。
【００６５】
また、本発明例１〜６と比較例３とを比較すると、断熱材の圧縮強度が高い本発明例１〜６では、使用後の断熱材の厚み減少が低位であった。これにより、１回の断熱材施工により、断熱材を更新することなく、ワーク耐火物層の複数回の張替え施工にわたって断熱効果が持続されることが明らかになった。
【００６６】
ここで、永久耐火物層の目地構造が異なる本発明例２と本発明例３とを比較すると、継ぎ目地構造である本発明例３の方が、通し目地構造である本発明例２に比較して永久耐火物層の劣化が低位であり、地金の浸入もなかった。これは本発明例３では、永久煉瓦の積み構造が継ぎ目地であるので、耐火物内の負荷応力が緩和され、且つ、地金の鉄皮側への浸入を抑止する効果が得られたためである。
【００６７】
更に、本発明例４では、ワーク耐火物層の厚みを増加し、ワーク耐火物層として熱伝導率の低位のものを使用したため、より一層熱ロス低減が向上した。本発明例５では、断熱材厚みが最適条件の最大値であり、本発明例４よりも更に溶銑温度降下量を抑止することができた。また、本発明例６では、断熱材の圧縮強度のみならず熱伝導率を更に有利な条件としたことで、本発明例の中でも最も高い断熱効果を実現した。
【００６８】
以上の結果から、断熱条件を的確に規定した本発明の優位性が確認できた。
【符号の説明】
【００６９】
１ 溶銑鍋
２ 鉄皮
３ 永久耐火物層
４ ワーク耐火物層
５ 断熱材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶鉱炉から出湯される溶銑を受銑して保持し、保持した溶銑を搬送する或いは保持した溶銑に精錬処理を実施するための製鉄用容器の耐火物ライニング構造であって、製鉄用容器の外側から、鉄皮、永久耐火物層、ワーク耐火物層をこの順に有し、前記鉄皮と前記永久耐火物層との間に、圧縮強度が製鉄用容器に溶銑を保持したときに生じる静鉄圧値以上の値である断熱材が配置されていることを特徴とする、製鉄用容器の耐火物ライニング構造。
【請求項２】
前記製鉄用容器の側壁部及び底部においては、前記永久耐火物層は、厚みが３０ｍｍ以上６５ｍｍ以下の成形煉瓦の２層以上の煉瓦層からなることを特徴とする、請求項１に記載の製鉄用容器の耐火物ライニング構造。
【請求項３】
前記永久耐火物層の煉瓦積み構造は、継ぎ目地構造であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の製鉄用容器の耐火物ライニング構造。
【請求項４】
前記ワーク耐火物層は、施工時の厚みが１００ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の製鉄用容器の耐火物ライニング構造。
【請求項５】
前記断熱材は、厚みが５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１ないし請求項４の何れか１つに記載の製鉄用容器の耐火物ライニング構造。
【請求項６】
前記断熱材は、その熱伝導率が０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることを特徴とする、請求項１ないし請求項５の何れか１つに記載の製鉄用容器の耐火物ライニング構造。
【請求項７】
前記ワーク耐火物層は、熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の成形煉瓦または不定形耐火物からなることを特徴とする、請求項１ないし請求項６の何れか１つに記載の製鉄用容器の耐火物ライニング構造。
【請求項１】
溶鉱炉から出湯される溶銑を受銑して保持し、保持した溶銑を搬送する或いは保持した溶銑に精錬処理を実施するための製鉄用容器の耐火物ライニング構造であって、製鉄用容器の外側から、鉄皮、永久耐火物層、ワーク耐火物層をこの順に有し、前記鉄皮と前記永久耐火物層との間に、圧縮強度が製鉄用容器に溶銑を保持したときに生じる静鉄圧値以上の値である断熱材が配置されていることを特徴とする、製鉄用容器の耐火物ライニング構造。
【請求項２】
前記製鉄用容器の側壁部及び底部においては、前記永久耐火物層は、厚みが３０ｍｍ以上６５ｍｍ以下の成形煉瓦の２層以上の煉瓦層からなることを特徴とする、請求項１に記載の製鉄用容器の耐火物ライニング構造。
【請求項３】
前記永久耐火物層の煉瓦積み構造は、継ぎ目地構造であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の製鉄用容器の耐火物ライニング構造。
【請求項４】
前記ワーク耐火物層は、施工時の厚みが１００ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の製鉄用容器の耐火物ライニング構造。
【請求項５】
前記断熱材は、厚みが５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１ないし請求項４の何れか１つに記載の製鉄用容器の耐火物ライニング構造。
【請求項６】
前記断熱材は、その熱伝導率が０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることを特徴とする、請求項１ないし請求項５の何れか１つに記載の製鉄用容器の耐火物ライニング構造。
【請求項７】
前記ワーク耐火物層は、熱伝導率が３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の成形煉瓦または不定形耐火物からなることを特徴とする、請求項１ないし請求項６の何れか１つに記載の製鉄用容器の耐火物ライニング構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１０５９８６（Ｐ２０１１−１０５９８６Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６１４５５（Ｐ２００９−２６１４５５）
【出願日】平成２１年１１月１７日（２００９．１１．１７）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１７日（２００９．１１．１７）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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